二次元生体工学膜

中国には塩湖や海水などの塩水資源が数多くあり、これらの塩水にはウランやリチウムなどのかなりの戦略的元素が含まれている。これらの資源を効率的に開発することは、主要原材料の自給率を向上させるだけでなく、国家戦略上の安全保障にとっても重要な意味を持ちます。

しかし、従来の抽出技術は、高コスト、高エネルギー消費、深刻な汚染などの大きな課題に直面しており、早急に技術革新が必要とされています。対照的に、膜分離技術は、高い選択性、低い環境への影響、および低いエネルギー消費という利点により、上記の問題に対する潜在的な解決策となっています。

膜分離技術の核心は分離膜の研究開発にあります。しかし、従来の分離膜は主に細孔サイズのスクリーニングに依存しているため、同様のサイズの水和イオンの分離を達成することが困難です。

新たな分離膜としての二次元膜は、層間間隔を制御でき、単一原子単位を容易に官能基化できるため、イオンおよび分子分離の分野で大きな応用可能性を持っています。

しかし、二次元膜の層間物質移動空間は小さすぎる（サブナノメートルレベル）ため、サブナノメートルの細孔の精密制御や機能修飾の実現には依然として大きな課題が残されています。

上記の背景に基づいて、蘭州大学教育部希少同位体フロンティア科学センターのChen Ximeng教授とLi Zhan研究員のチームは、二次元膜物質移動チャネルのサイズ制御と機能修飾のための一連の戦略を提案しました。そして、複雑な塩水システムにおけるウランとリチウムの正確な識別と効率的な分離の分野で重要な進歩を遂げました。これらの成果は、戦略的なウランおよびリチウム資源を採掘するための新技術を提供するだけでなく、世界的なエネルギー安全保障と環境の持続可能性を促進します。

研究チームは、スーパーウラニル結合タンパク質（SUP）で修飾した大腸菌を二次元（2D）MXene（Ti3C2TX）層に挿入し、圧力傾向自己による「本のような構造」の二次元多機能複合膜を開発した。 -組立プロセスにより、海水中のウラニルイオンを正確に識別し、効率的に分離することができました。

SUP は生物無機ハイブリッド膜にウラニルイオンに対する超高選択性を与え、操作された大腸菌は膜の機械的強度と経済性を向上させます。実験結果は、この膜がウラニルイオンの正確な識別と優れたイオンスクリーニング性能（SFU/V≈43、SFNa/U≈158）を達成することを示しています。

優れた分離性能とサイクル安定性テストにより、この膜の産業応用の可能性が証明されています。この研究結果は、「Layered Bio-Inorganic MXene Membranes: A Green Approach for Uranium Extraction from Seawater using Geneticly Modified E. coli」と題して、2024 年 11 月にアメリカ化学会の有名な学術誌 Nano Letters に掲載されました。修士課程の毛暁南氏が論文の筆頭著者で、蘭州大学希少同位体フロンティア科学センターの研究者であるリー・ザン氏と若手研究者のティアン・ロンロン氏が論文の共同責任著者となっている。

研究チームは金属間の相乗効果を利用して、酸化グラフェン層の間にある新しいタイプのバイメタル有機フレームワーク（MOF）/酸化グラフェン（GO）複合膜を開発した。つまり、2-メチルイミダゾールが室温で酸化グラフェンの中間層に導入され、その後 Zn2+ と Co2+ が酸化グラフェンナノシートに捕捉され、イミダゾール配位子と強力な配位結合を形成します酸化グラフェンの中間層におけるZIF-8とZIF-67のその場合成を実現します。

この研究は主に、二次元サブナノ空間におけるイオン交換戦略を通じて横方向不均一チャネルを合成する新しい戦略を明らかにし、それを実際の塩湖からのリチウム抽出に使用しており、リチウムとマグネシウムの分離係数は191に達します。この材料は、リチウムの抽出能力を高めるだけでなく、既存技術の多くの欠点を克服し、塩湖からリチウム資源を持続的に抽出するための亜鉛溶液を提供します。

この研究成果は、「塩水からのリチウム分離のためのバイメタル金属有機フレームワークと層状に積層された2D膜」というタイトルで米国化学会誌Nano Lettersに掲載された。蘭州大学と中国科学院青海ソルトレーク研究所が共同訓練した修士課程の袁芙蓉氏が論文の筆頭著者で、青海ソルトレーク研究所の准研究員彭焦玉氏と李ザン氏が論文の筆頭著者である。 、蘭州大学希少同位体フロンティア科学センターの研究者が共同連絡著者です。

さらに、研究チームは多孔質ZnFe2O4/ZnOナノシートも設計し、Ag+によって制御されるサブナノ中間層チャネルに埋め込み、独特の二次元不均一チャネル構造を形成した。

このチャネルでは、酸素原子が負の電荷を運び、高い電荷密度でマグネシウム イオンと強く相互作用するため、マグネシウム イオンが正確に「ロック」され、一方、リチウム イオンは素早く通過できます。このメカニズムは、膜表面での電荷反発効果のみに依存する従来の表面電荷反発メカニズムとは異なりますが、電荷ロックメカニズムは層間構造で正確なイオン捕捉を達成することでより高い選択性を備えています。

研究結果は、「Charge-Lock Enhanced Lithium Separation from Brine」というタイトルで「Fine-Tuning 2D Heterogeneous Channels for Charge-Lock Enhanced Lithium Separation from Brine」というタイトルで『Advanced Science』誌に掲載されました。博士課程の学生Hao Yaxin氏が論文の筆頭著者で、蘭州大学希少同位体フロンティア科学センターの研究員Li Zhan氏が論文の責任著者となっている。

Chen Ximeng 教授と Wu Wangsuo 教授は、上記の研究に対して重要な改善提案を提供してくれました。上記の研究は蘭州大学の希少同位体フロンティア科学センターが主導し、中国科学院青海塩湖研究所と青海民族大学がこの研究に強力な支援を提供した。上記の研究活動は、国家重点研究開発プログラム、中国国立自然科学財団、蘭州大学中央大学基礎研究事業費クロスチームプロジェクトから資金提供を受けました。

【記事リンク】

ナノレター: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04709

ナノレター: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c04040

先端科学: https://doi.org/10.1002/advs.202406535